DE4444763C2

DE4444763C2 - Electrode for material evaporation for the coating of substrates

Info

Publication number: DE4444763C2
Application number: DE4444763A
Authority: DE
Inventors: Brunhilde Dr Hasse; Hans-Peter Hinz
Original assignee: APVV ANGEWANDTE PLASMA VAKUUM
Current assignee: APVV ANGEWANDTE PLASMA VAKUUM
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1994-12-19
Publication date: 1996-11-21
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: DE4444763A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrode zur Materialver dampfung für die Beschichtung von Substraten in einer Vakuum kammer sowie ein Verfahren zum Beschichten von Substraten im Vakuum mittels des anodischen Lichtbogen-Verfahrens.The invention relates to an electrode for material ver vaporization for coating substrates in a vacuum chamber and a method for coating substrates in the Vacuum using the anodic arc process.

Zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen mit Hilfe der physikalischen Dampfabscheidung im Vakuum, allgemein be kannt unter der Bezeichnung PVD-Verfahren, sind verschiedene Methoden bekannt. Es hat sich gezeigt, daß mit plasma- und ionengestützten PVD-Verfahren gegenüber den klassischen Auf dampfverfahren insbesondere Vorteile hinsichtlich der Quali tät der erzeugten Schichten, deren Haftfestigkeit auf den Substratoberflächen und einer insgesamt besseren Kompaktheit des Schichtaufbaus erzielt werden. Weiterhin ist es bei plas magestützten Verfahren ebenfalls möglich, aufgrund der hohen chemischen Reaktionsbereitschaft der erzeugten Plasmen und Ionen, reaktive Beschichtungsprozesse durchzuführen. Bekannt ist beispielsweise der Einsatz plasmagestützter Verfahren zur Oberflächenvergütung von Werkstücken mit verschleißfesten Hartstoffschichten. Dazu werden dünne Schichten von Titan nitrid auf das Werkzeug aufgebracht, in dem ein Titanplasma in einer Stickstoffatmosphäre erzeugt wird.For the production of coatings on surfaces with the help physical vapor deposition in a vacuum, generally be known under the name PVD process, are different Known methods. It has been shown that with plasma and ion-based PVD processes compared to the classic up steam processes in particular advantages in terms of quality act of the layers produced, the adhesive strength of the Substrate surfaces and an overall better compactness of the layer structure can be achieved. It is also at plas gastric assisted procedures also possible due to the high chemical reactivity of the generated plasmas and Ions to perform reactive coating processes. Known is, for example, the use of plasma-based methods for Surface treatment of workpieces with wear-resistant Hard material layers. To do this, thin layers of titanium nitride applied to the tool, in which a titanium plasma in a nitrogen atmosphere is generated.

Eines dieser plasma- und ionengestützten PVD-Verfahren ist das sogenannte anodische Lichtbogen-Verfahren, das mit einem anodisch bestimmten Vakuumbogen arbeitet. Das Verfahren wird in der US 49 17 786 beschrieben. Beim anodischen Vakuumbogen wird eine kalte Kathode, die entsprechend gekühlt wird, und eine heiße verdampfende Anode verwendet. Beim anodischen Vakuumbogen wird das von der Kathode erodier te Material nicht für Beschichtungszwecke genutzt, so daß das sonst auftretende Problem von Metalltröpfchen vermieden wird. Vielmehr werden die in den Kathodenflecken und der Lichtbo genentladung gebildeten Elektronen und Ionen dazu verwendet, eine strukturierte Anode aufzuheizen und dann das mit der Anode verbundene Verdampfungsgut zu verdampfen. Elektronen aus den Kathodenflecken verdampfen dabei nicht nur das Ano denmaterial sondern überführen durch nicht-elastische Stöße das abdampfende Anodenmaterial gleichzeitig auch in den für eine Beschichtung erwünschten Plasmazustand. Das anodische Plasma dient auch als Brenngas für die Lichtbogen-Entladung. Der von der selbstverzehrenden Anode in die Unterdruckkammer expandierende ionisierte Metalldampf enthält keine geschmol zenen Tröpfen und wird zur Beschichtung von Oberflächen ver wendet. Dieser anodische Vakuumbogen ist daher den ansonsten bekannten Verfahren, bei denen das von der Kathode stammende Material zur Beschichtung verwendet wird, überlegen.One of these plasma and ion-based PVD processes is the so-called anodic arc process, which with a anodically determined vacuum arc works. The procedure will described in US 49 17 786. With anodic Vacuum arc is a cold cathode, which accordingly is cooled, and a hot evaporating anode is used. In the anodic vacuum arc, this is eroded by the cathode te material is not used for coating purposes, so that otherwise occurring problem of metal droplets is avoided. Rather, those in the cathode spots and the Lichtbo gene discharge electrons and ions used to heat up a structured anode and then the one with the Evaporating anode-connected material to evaporate. Electrons not only the Ano evaporate from the cathode spots but transfer the material through non-elastic impacts the evaporating anode material simultaneously in the for a coating of the desired plasma state. The anodic Plasma also serves as a fuel gas for arc discharge. The one from the self-consuming anode into the vacuum chamber expanding ionized metal vapor contains no melted zenen droplets and is used to coat surfaces turns. This anodic vacuum arc is therefore otherwise known methods in which the originating from the cathode Material used for coating is superior.

Der anodisch bestimmte Vakuumbogen ist mittlerweile in vie len Bereichen der Beschichtungsindustrie bekannt geworden. Einen entscheidenden industriellen Durchbruch hat dieses Ver fahren bisher jedoch nicht erreicht. Der Grund hierfür liegt unter anderem auch darin, daß bisher keine geeignete Elek trodenkonfiguration und Elektrodenkonstruktion für den ano disch bestimmten Vakuumbogen geschaffen wurde, bei denen man die Beschichtungsquelle universell und bei langen Standzeiten betreiben kann.The anodically determined vacuum arc is now in vie len areas of the coating industry become known. This ver has a decisive industrial breakthrough have not yet been reached. The reason for this is among other things, that no suitable elec Trode configuration and electrode construction for the ano certain vacuum arc was created, in which one the coating source is universal and has a long service life can operate.

So wird zwar in der oben genannten Druckschrift ein Verfahren zum Verdampfen von Materialien in einer Vakuumkammer beschrieben, bei dem u. a. eine Drahtanode aus Verdampfungsmaterial durch eine Hülse in Richtung der Vakuumkammer geführt wird. Diese Anordnung ist aber deshalb nicht funk tionsfähig, weil die Hülse, durch die die Elektrode geführt wird, nicht gekühlt ist und sich daher bei Betrieb der Vakuumkammer so stark aufheizen wird, daß das Verdampfungsmaterial in der Hülse bereits schmilzt bzw. die Hülse selber aufschmilzt und zerstört wird. Weiterhin weist die Elektrode nach der genannten US 49 17 786 keine Dichtungseinheit zur Abdichtung von Vakuum gegen Atmosphärendruck auf.So in the above-mentioned document, a method for evaporating Materials described in a vacuum chamber in which u. a. a wire anode made of evaporation material through a sleeve towards the Vacuum chamber is performed. However, this arrangement is not funky capable because the sleeve through which the electrode is passed is not cooled and is therefore in operation of the vacuum chamber will heat up so much that the evaporation material in the The sleeve is already melting or the sleeve itself is melting and gets destroyed. Furthermore, the electrode according to the above US 49 17 786 no sealing unit for sealing vacuum against atmospheric pressure.

Durch diese Probleme ist die Durchführung einer Beschichtung mit einem anodisch bestimmten Vakuumbogen bisher im industriellen Maßstab unwirtschaftlich.Because of these problems is the implementation of a Coating with an anodically determined vacuum arc so far uneconomical on an industrial scale.

Aus der DE 40 26 494 C2 ist ein Verfahren zur Zündung einer Vakuumlichtbogenentladung bekannt, wobei in Fig. 6 eine An odenkonstruktion zur tiegellosen Verdampfung von Materialien beschrieben wird. Dabei wird auf der gekühlten Anoden-Basis platte das Verdampfungsgut in stabförmiger Geometrie ange bracht. Eine Abschirmung verhindert die Beaufschlagung der Anodenbasisplatte und der Überwurfmutter mit verdampftem Ma terial. Die Verdampfung erfolgt in Folge des Anodenansatzes an der Spitze des Stabes, der demzufolge aus elektrisch leitfähigem Material bestehen muß. Diese Anodenkonstruktion ist vorzugsweise geeignet, für die Verdampfung von Materia lien, deren zur Verdampfung notwendige Temperatur knapp un terhalb oder oberhalb des jeweiligen Schmelzpunktes liegt.DE 40 26 494 C2 describes a method for igniting a Vacuum arc discharge known, in Fig. 6 an od construction for crucible evaporation of materials is described. It is based on the cooled anode plate the evaporation material in rod-shaped geometry brings. Shielding prevents exposure to the Anode base plate and the union nut with evaporated Ma material. Evaporation occurs as a result of the anode approach at the top of the rod, which consequently consists of electrical conductive material must exist. This anode construction is preferably suitable for the evaporation of materia lien, the temperature necessary for evaporation is almost un is below or above the respective melting point.

Der Nachteil dieser Vorrichtung liegt jedoch darin, daß nur eine begrenzte Menge des leitfähigen Materials vorhanden ist, und daß das Verdampfungsmaterial nicht nachgeführt werden kann. Weiterhin kann mit dieser Anodenkonstruktion vorzugs weise nur solches Material verdampft werden, dessen Schmelz- und Verdampfungstemperatur nahe beieinanderliegen. Somit kön nen mit dieser Vorrichtung Metalle, bei denen Schmelz- und Siedetemperatur weit auseinander liegen, wie z. B. Eisen, nicht verdampft werden. Weiterhin ist es nicht möglich, mit der Vorrichtung schlecht leitende Materialien zu verdampfen, da die stromleitende Fläche der Anode sehr klein ist und da her die notwendige Verdampfungstemperatur nicht oder nur nach langer Zeit erreicht werden kann.The disadvantage of this device, however, is that only there is a limited amount of conductive material and that the evaporation material cannot be tracked can. Furthermore, this anode construction is preferred only those materials are evaporated whose melting and vaporization temperature are close to each other. Thus, nen with this device metals, in which melting and Boiling temperature are far apart, such as. B. iron, not be vaporized. Furthermore, it is not possible to use evaporate poorly conductive materials from the device, because the current-carrying area of the anode is very small and there forth the necessary evaporation temperature or only after can be achieved for a long time.

Aus der EP 0 612 859 A1 ist ein Niedervoltbogenverdampfer mit Nachfütterungseinrichtung und ein Verfahren zu dessen Verwen dung bekannt. In der Druckschrift wird ein Niedervolt-Bogen verdampfer als Anode für einen anodisch bestimmten Vakuumbo gen beschrieben. Die Vorrichtung besitzt eine Nachfütterungs einrichtung, mit der das Verdampfungsmaterial von unten in die Verdampfungszone nachgeführt werden kann. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Führung 5 des Niedervolt-Bogenverdampfers eine vertikale Bohrung 12 auf weist, in der stabförmiges Verdampfungsmaterial 11 geführt und gehaltert wird, so daß die Führung 5 zur Vakuumkammer 1 elektrisch isoliert angeordnet und wassergekühlt ist. Die Nachfütterungseinrichtung ist außerhalb der Vakuumkammer 1 angeordnet und in der Achse der Bohrung 12 ist eine gekühlte Aufnahme 21 für das stabförmige Verdampfungsmaterial 11 vor handen, die über einen Metallfaltenbalken 20 elektrisch iso liert mit der Vakuumkammer 1 mechanisch verbunden ist. Das stabförmige Verdampfungsmaterial 11 ist über die Aufnahmen 21 an das anodische Potential der Niedervolt-Bogenentladung an geschlossen.EP 0 612 859 A1 discloses a low-voltage arc evaporator with a refilling device and a method for its use. In the publication, a low-voltage arc evaporator is described as an anode for an anodically determined vacuum arc. The device has a refilling device with which the evaporation material can be fed from below into the evaporation zone. The device is characterized in that a guide 5 of the low-voltage arc evaporator has a vertical bore 12 in which rod-shaped evaporation material 11 is guided and held, so that the guide 5 to the vacuum chamber 1 is arranged in an electrically insulated manner and is water-cooled. The Nachfütterungseinrichtung is arranged outside the vacuum chamber 1 and in the axis of the bore 12 is a cooled support 21 for the rod-shaped evaporation material 11 before hands electrically via a metal folding beam 20 lines iso is mechanically connected to the vacuum chamber. 1 The rod-shaped evaporation material 11 is closed via the receptacles 21 to the anodic potential of the low-voltage arc discharge.

Mit dieser Vorrichtung kann zwar durch eine Materialzufuhr in Stabform tiegellos verdampft werden, jedoch ist die Vorrich tung gegenüber einer sehr genau abgestimmten Materialzufuhr regelung für Störungen sehr anfällig. Die Vorrichtung hat nämlich den Nachteil, daß sich nur eine begrenzte Menge des Verdampfungsmaterials nachschieben läßt und für das Einbrin gen neuen Verdampfungsmaterials die gesamte Apparatur wieder belüftet und evakuiert werden muß.With this device it is possible to inject material into Rod shape can be vaporized without crucible, however, the Vorrich compared to a very precisely coordinated material supply regulation very susceptible to faults. The device has namely the disadvantage that only a limited amount of Evaporating material can be added and for the introduction the entire apparatus again against new evaporation material must be ventilated and evacuated.

Ein weiterer großer Nachteil der Elektrode ist, daß durch den Plasmadruck "des kathodischen Plasmas" die Schmelze zum Teil auf der Stirnfläche der Anode nach hinten gedrückt wird und das Abtropfen der Schmelze entlang der Stabfläche begünstigt. Ein solches Abtropfen von der Stabstirnfläche führt jedoch zu starken Ratenschwankungen, Kurzschlußbildung und weiteren Schwierigkeiten beim Beschichten und damit zu geringeren Standzeiten und erhöhten Kosten.Another major disadvantage of the electrode is that the Plasma pressure of "the cathodic plasma" partially melts is pushed back on the face of the anode and the melt drips along the rod surface. However, such dripping from the rod end surface leads to strong rate fluctuations, short-circuiting and others Difficulties in coating and therefore less Downtimes and increased costs.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin keine industriell nutzbare Anodenkonstruktion für die Aktivierung von Gasen im anodischen bestimmten Gasbogen bekannt.None of the prior art is industrial usable anode construction for the activation of gases in the anodic certain gas arc known.

Die technische Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von Substraten zur Verfügung zu stellen, mit der auch schwer ver dampfbare Materialien über lange Beschichtungsdauern bei lan gen Standzeiten und hohen Bogenleistungen verdampft werden können, und das Problem der Tiegelzerstörung z. B. durch Le gierungsbildung zwischen Tiegelmaterial und Verdampfungsmate rial, wie dies beim Eisen häufig auftritt, vermieden wird. Weiterhin sollen mit der Elektrodenkonstruktion gemäß der Erfindung auch sublimierende Metalle wie Chrom und Verbindun gen wie Kohlenstoff als auch Metalle, bei denen Schmelz- und Siedetemperatur weit auseinander liegen, wie z. B. Eisen, verdampft werden können und das Verdampfungsmaterial soll unbegrenzt nachführbar sein.The technical object of the invention is therefore a Electrode for material evaporation for the coating of To provide substrates with which difficult ver vaporizable materials over long coating times at lan can be evaporated against downtimes and high arc outputs can, and the problem of crucible destruction z. B. by Le Formation of yaw between crucible material and evaporation material rial, as often occurs with iron, is avoided. Furthermore, with the electrode construction according to the Invention also sublimating metals such as chromium and compounds like carbon as well as metals, where melting and Boiling temperature are far apart, such as. B. iron, can be evaporated and the evaporation material should unlimited tracking.

Die technische Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Elektrode zur Materialverdampfung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrsystem über ein es umgebendes, geschlossenes, umlaufendes Wasserkühl system 4 kühlbar. Der Elektrodenkopf 1 besteht in bevorzugter Weise aus Kupfer. Im unteren Teil des Elektrodenkopfes kann ein Permanentmagnet 5 oder ein Elektromagnet 5 angeordnet sein. Das zu verdampfende Material 6, das durch die Dich tungseinheit, das wassergekühlte Rohrsystem und den durch bohrten Elektrodenkopf geführt wird, kann ein massiver Stab oder Draht sein. Es ist jedoch auch möglich, dieses verdampfte Material in Form eines hohlen Stabes einzuführen. Dann kann zusätzlich von außen durch diesen hohlen Stab ein Gas in die Vakuumkammer geführt werden.The technical object of the invention is achieved by an electrode for material evaporation with the features of the characterizing part of claim 1. In a preferred embodiment, the pipe system can be cooled via a surrounding, closed, circulating water cooling system 4 . The electrode head 1 is preferably made of copper. A permanent magnet 5 or an electromagnet 5 can be arranged in the lower part of the electrode head. The material to be evaporated 6 , which is led through the processing unit, the water-cooled pipe system and through the electrode head, can be a solid rod or wire. However, it is also possible to introduce this vaporized material in the form of a hollow rod. Then a gas can also be introduced into the vacuum chamber from the outside through this hollow rod.

Die erfindungsgemäße Elektrode kann weiterhin auch für ge wöhnliche bisher bekannte Anwendungen verwendet werden. Dann ist der Elektrodenkopf nicht durchbohrt und das zu verdamp fende Material wird beispielsweise seitlich in die Vakuumkam mer eingeführt.The electrode according to the invention can also be used for ge usual previously known applications can be used. Then the electrode head is not pierced and this evaporates fende material is for example laterally in the vacuum mer introduced.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungs gemäßen Elektrode ist der Elektrodenkopf auf der oberen Seite eingekerbt. Diese Maßnahme gewährleistet eine bessere Abdamp fung des Materials von der Elektrode und eine günstigere Tem peraturverteilung. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der seitliche Teil des Elektrodenkopfes von einem Abschirmrohr 7 umgeben ist, um störende die Standzeit der Elektrode verkürzende Ablagerungen des Verdampfungsmate rials an den Seiten des Elektrodenkopfes zu verhindern.In a further preferred embodiment of the electrode according to the invention, the electrode head is notched on the upper side. This measure ensures a better evaporation of the material from the electrode and a more favorable temperature distribution. A further preferred embodiment provides that the lateral part of the electrode head is surrounded by a shielding tube 7 in order to prevent annoying deposits of the evaporation material on the sides of the electrode head which shorten the service life of the electrode.

Die erfindungsgemäße Elektrode wird in bevorzugter Weise ver wendet als Anode in einem anodisch bestimmten Vakuumbogen. Mit diesem Elektrodenaufbau kann universell Material in die Vakuumkammer geführt, verdampft und ionisiert werden. Mit der erfindungsgemäßen Elektrodenkonstruktion ist es möglich, mit einer Elektrode metallische, halbleitende, isolierende Schichten und Legierungsschichten und sonstige reaktiv her stellbare Schichtsysteme zu erzeugen, wobei die gleiche Elek trodenkonstruktion für alle Beschichtungssysteme verwendet werden kann.The electrode according to the invention is preferably used uses as an anode in an anodic vacuum arc. With this electrode structure, material can be used universally Vacuum chamber guided, evaporated and ionized. With the electrode construction according to the invention, it is possible with one electrode metallic, semiconducting, insulating Layers and alloy layers and other reactive generate adjustable layer systems, the same elec Trode construction used for all coating systems can be.

Diese Eigenschaft der Anodenkonstruktion wird durch die Merk male eines geschlossenen Wasserkreislaufs, der einen gut ge kühlten Anodenkopf gewährleistet, und der Tatsache, daß der Elektrodenkopf auf Anodenpotential liegt, gewährleistet. Der Elektrodenkopf ist für die Verdampfung von schwer verdampf baren Materialien, wie Metallen, Halbleitern, Legierungen und Isolatoren, geeignet. Weiterhin ist er auch für Plasma-Akti vierung von Gasen und Flüssigkeiten sowohl als Plasma-Vor behandlung von Substraten wie auch zur Herstellung reaktiver Schichtsysteme auf Substraten geeignet.This property of the anode construction is determined by the Merk of a closed water cycle that is good for you cooled anode head, and the fact that the Electrode head is at anode potential, guaranteed. Of the Electrode head is for the evaporation of hard vapor materials such as metals, semiconductors, alloys and Insulators, suitable. It is also for plasma shares vation of gases and liquids both as plasma pre treatment of substrates as well as for the production of reactive Layer systems suitable for substrates.

Die Materialzufuhr dieser Substanzen erfolgt über ein wasser gekühltes Rohrsystem 2, das für eine Drahtzufuhr oder Stab zufuhr und/oder eine Gaszufuhr genutzt werden kann. Im Fall der kontinuierlichen Draht- oder Stabzufuhr wird der Draht oder Stab über eine vakuumtechnisch geeignete Abdichtung in nerhalb des Rohrsystems geführt. In einer besonderen Ausfüh rungsform kann die Materialzufuhr in Drahtform oder Granulat- oder Pulverform auch seitlich erfolgen. Über die Drahtzufuhr von Drähten können reine Metallschichten, wie Legierungs schichten, hergestellt werden. The material supply of these substances takes place via a water-cooled pipe system 2 , which can be used for a wire supply or rod supply and / or a gas supply. In the case of continuous wire or rod feeding, the wire or rod is guided inside the pipe system via a seal suitable for vacuum technology. In a special embodiment, the material can also be supplied laterally in wire or granular or powder form. Pure metal layers, such as alloy layers, can be produced via the wire feed of wires.

Durch die bevorzugte Ausgestaltung, das die Elektrode in Rohrform ausgebildet ist, und durch dieses Rohr auch eine Gaszufuhr in die Vakuumkammer möglich ist, kann ein Reaktiv gas oder ein Reaktivgasgemisch in die Ionisationszone in der Vakuumkammer eingegeben werden. Dadurch besteht die Möglich keit zur reaktiver Abscheidung. Durch definierte Öffnungen entlang des Rohres kann das Reaktivgas direkt in die Entla dung des Lichtbogens geführt werden, wo es gezielt aktiviert werden kann. Wird bspw. im Dampferzeuger Aluminium verdampft und über das Anodenrohr Sauerstoff zugeführt, so können Alu miniumoxidschichten bei hohen Abscheideraten erzeugt werden.Due to the preferred embodiment that the electrode in Is tubular shape, and through this tube also a Gas supply to the vacuum chamber is possible, can be a reactive gas or a reactive gas mixture in the ionization zone in the Vacuum chamber can be entered. This makes it possible reactive deposition. Through defined openings along the tube, the reactive gas can directly into the discharge of the arc where it is specifically activated can be. For example, aluminum is vaporized in the steam generator and oxygen is supplied via the anode tube, aluminum can minium oxide layers are generated at high deposition rates.

Im Unterschied zu bereits realisierten Tiegelformen für anodische Lichtbögen, beispielsweise gemäß DE 40 26 494 C2, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Elektrodenkonstruktion sowohl sublimierende Metalle wie Chrom, als auch Kohlenstoff und Verbindungen, bei denen Schmelz- und Siedetemperaturen weit auseinander liegen, wie z. B. beim Eisen, verdampfen. Der Grund hierfür liegt darin, daß durch die Elektrodenkonstruktion ein großflächiges Aufschmelzen ermöglicht wird, und dies durch die Tatsache erfolgt, daß die Schmelzfläche am Elektrodenkopf viel größer ist als der Stab- oder Drahtdurchmesser des Verdampfungsmate rials. Durch diese Konstruktion ist man somit nicht mehr auf einen sehr engen Parameterbereich des stabförmigen Verdamp fens eingeengt, bei dem man auf ein bestimmtes Temperatur profil festgelegt ist, wenn nicht die Tropfen des Verdamp fungsmaterials am Stab entlanglaufen sollen.In contrast to the crucible shapes already implemented for anodic Arcs, for example according to DE 40 26 494 C2, can be with the electrode construction according to the invention both sublimating Metals like chromium, as well as carbon and compounds which have melting and boiling temperatures far apart, such as B. with iron, evaporate. The reason for this is in that a large area through the electrode construction Melting is made possible by the fact takes place that the melting surface on the electrode head is much larger is the rod or wire diameter of the evaporation material rials. With this construction you are no longer up a very narrow parameter range of the rod-shaped evaporator fens restricted, at which one reaches a certain temperature profile is set, if not the drops of the evaporator material should run along the rod.

Weiterhin können im Unterschied zu den bereits realisierten Elektroden aus dem Stand der Technik, nicht oder schlecht leitende Materialien verdampft werden, da die stromleitende Fläche nicht nur das stabförmige Verdampfungsmaterial umfaßt, sondern so groß gewählt ist, daß die gesamte obere Fläche des Elektrodenkopfes stromleitend ist. Weiterhin muß auch keine Abdeckung für die obere Anodenstirnfläche verwendet werden. Furthermore, in contrast to those already implemented Electrodes from the prior art, bad or not conductive materials are evaporated because the current-carrying Surface not only includes the rod-shaped evaporation material, but is chosen so large that the entire upper surface of the Electrode head is conductive. Furthermore, no Cover for the upper anode face can be used.

Mit dem Gasfluß und der Bogenleistung lassen sich die für den reaktiven Prozeß notwendigen Teilchenflüsse und damit auch der Flußionisationsgrad zum Substrat kontrolliert einstellen. Durch den Aufsatz eines Arrays mit einem Viellochsystem kann das Gas auch großflächig, z. B. bei hohem Flußionisationsgrad aktiviert werden und als erste Stufe einer Plasma-Vorbehand lungsquelle genutzt werden.With the gas flow and the arc power, those for the reactive process necessary particle flows and thus also adjust the degree of flux ionization to the substrate in a controlled manner. By attaching an array with a multi-hole system the gas also over a large area, e.g. B. at a high degree of flux ionization be activated and as the first stage of a plasma pretreatment source can be used.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrode ist es, daß sie auch für sämtliche Materialien eingesetzt werden kann, für die bisher Tiegelmaterialien schon existieren. In diesem Fall werden die Wärmeleitungsverluste für eine optima le Ratenregelung durch einen Tiegelauf- oder Tiegeleinsatz aus gängigen Tiegelmaterialien (bspw. Wolfram, Molybdän, Mischkeramik) und Grenzflächenbearbeitung (Aufrauhung, Ra dientenübergänge, Stufenübergänge, "Schwammeinsätze definier ter Porösität") zum gut gekühlten Kupferkopf reduziert. Der Wärmeübergang zwischen dem gekühlten Elektrodenkopf und dem Tiegelmaterial muß so gewählt werden, daß die Temperaturgra dienten nicht zu einer extremen thermischen Belastung und damit einhergehend zu geringen Standzeiten der Tiegel führen. Der Nachteil der bisherigen Konstruktionsvorschläge für der artige Elektroden enthält meist zu hohe Temperaturgradienten mit der Folge des Tiegelbruchs.Another advantage of the electrode according to the invention is that that they can also be used for all materials for which crucible materials already exist. In In this case, the heat conduction losses for an optima Rate regulation by using a crucible or a crucible from common crucible materials (e.g. tungsten, molybdenum, Mixed ceramics) and interface processing (roughening, Ra service transitions, step transitions, "Define sponge inserts porosity ") to the well-cooled copper head Heat transfer between the cooled electrode head and the Crucible material must be selected so that the temperature gra were not used for extreme thermal stress and this means that the crucibles have a short service life. The disadvantage of previous design proposals for the like electrodes usually contain too high temperature gradients with the consequence of the crucible break.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, die Materialausbeute der Plasmaquelle zu erhöhen. Ins besondere bei der Aluminiumverdampfung erzielt man mittels dieses Aufbaus eine bessere Raumwinkelausnutzung des ver dampften Aluminiummaterials im Vergleich zu alten Anordnungen für den Betrieb des anodischen Vakuumbogens.Another advantage of the device according to the invention is it to increase the material yield of the plasma source. Ins Especially in the case of aluminum evaporation, this construction a better solid angle utilization of the ver steamed aluminum material compared to old arrangements for the operation of the anodic vacuum arc.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zudem die geziel te Ausnutzung eines Magnetfeldes, das für eine Ratensteige rung ausgenutzt werden kann. Der Magnet kann in den Anoden kopf integriert werden oder außen den Anodenkopf umgeben und damit die Ladungsträger auf die Anode führen. The device according to the invention also enables targeted te exploitation of a magnetic field, which increases the rate tion can be exploited. The magnet can be in the anodes integrated head or outside the anode head and so that the charge carriers lead to the anode.

Mit dieser Anordnung aus Abschirmrohr und zusätzlichem Ma gnetfeld, wird die Möglichkeit für "parasitäre Plasma-Ansätze" minimiert.With this arrangement of shielding tube and additional dimensions gnetfeld, the possibility for "parasitic plasma approaches" minimized.

Mit der erfindungsgemäßen Elektrode kann weiterhin eine hoch ionisierte Plasmaquelle hoher Teilchendichte in Kombination mit einer Biasspannung (DC) oder gepulst (als Einheit zur Substratvorbehandlung) bis zu sehr hohen Leistungsdichten genutzt werden. Durch Einsatz zweier Materialzuführungen so wohl für Gase wie für Draht können Legierungsschichten oder reaktive Schichtsysteme, wie Hartstoffschichten oder trans parente Schichten oder Polymere hergestellt werden. Dabei können die Legierungsschichten auch mit nur einer Drahtzufuhr hergestellt werden, solange diese Legierungsdrähte verfügbar sind.With the electrode according to the invention, a high can furthermore ionized plasma source of high particle density in combination with a bias voltage (DC) or pulsed (as a unit for Substrate pretreatment) up to very high power densities be used. By using two material feeds like this alloy layers or for gases as well as for wire reactive layer systems, such as hard material layers or trans Parent layers or polymers can be produced. Here the alloy layers can also be fed with just one wire as long as these alloy wires are available are.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten von Substraten im Vakuum, mittels des anodischen Lichtbogenverfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das zu verdampfende Material entlang der Elektrodenführung gekühlt wird und der aus der Dichtungseinheit (3) herausragende Teil des Verdampfungsmaterials (6) während des Betriebes der Elektrode nachgeführt wird, wobei die Elektrode als hohler Stab ausgebildet ist, durch den, während des Betriebs der Elektrode, zusätzlich ein Gas von außen in die Vakuumkammer geführt wird.The invention further relates to a method for coating substrates in a vacuum by means of the anodic arc method, which is characterized in that the material to be evaporated is cooled along the electrode guide and the part of the evaporation material ( 6 ) protruding from the sealing unit ( 3 ). is tracked during operation of the electrode, the electrode being designed as a hollow rod through which, during operation of the electrode, a gas is additionally fed into the vacuum chamber from the outside.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrode ist es möglich, reaktive Schicht systeme wie Hartstoffschichten und oxidische Schichtsysteme durch die gleichzeitige Verdampfung von festen Materialien und Plasma-Aktivierung von Gasen mit derselben Anode, z. B. Titannitrid oder Titanoxid zu erzeugen. Das Titan wird dabei von der Stirnfläche der anodisch geschalteten Elektrode ver dampft. Die Materialzufuhr kann dabei von einer durch den Elektrodenkopf führenden Materialzufuhr oder von außen akti vierte Drahtzufuhr erfolgen. Die Gaszufuhr erfolgt gleich zeitig durch denselben Elektrodenkopf, wobei das Verdamp fungsmaterial als stabförmiges Rohr ausgebildet ist.With the inventive method using the electrode according to the invention it is possible to reactive layer systems such as hard material layers and oxidic layer systems through the simultaneous evaporation of solid materials and plasma activation of gases with the same anode, e.g. B. To produce titanium nitride or titanium oxide. The Titan will be there ver from the end face of the anodically connected electrode steams. The material supply can be from one through the Electrode head leading material supply or externally acti fourth wire feed. The gas supply is the same in time through the same electrode head, the evaporator is formed as a rod-shaped tube.

In einer weiteren beispielhaften Ausführung wird das zu ver dampfende Material, z. B. Eisen, über eine floatende Draht zufuhr von Atmosphärendruck über ein Dichtungssystem, in dem differentiell gepumpt wird, über ein wassergekühltes Rohr system zur Durchführung des wassergekühlten Elektrodenkopfes geführt. Das Material wird erst im Bereich des Elektroden kopfes durch elektrisch leitende und wärmeleitfähige Führung und Dichtung aus Graphit oder leitfähigen Kunststoffdichtun gen, definiert auf Anodenpotential, gelegt. Das Material des eingebauten Dichtungssystems wird hauptsächlich durch den Durchmesser des Verdampfungsgutes bestimmt. Typische Draht- bzw. Stabdurchmesser liegen zwischen 1,5 und 10 mm.In a further exemplary embodiment, this is ver steaming material, e.g. B. iron, over a floating wire supply of atmospheric pressure via a sealing system in which is pumped differentially, via a water-cooled pipe system for carrying out the water-cooled electrode head guided. The material is only in the area of the electrodes head through electrically conductive and thermally conductive guidance and graphite or conductive plastic gasket gene, defined on anode potential. The material of the built-in sealing system is mainly by the Determines the diameter of the material to be evaporated. Typical wire or rod diameters are between 1.5 and 10 mm.

Nach Durchfädelung des Drahtes durch die Öffnung des Elek trodenkopfes wird der Draht bei der erstmaligen Aktivierung der Anordnung aus dem Kupferkopf 0,5 bis 1 cm aus der Öffnung herausgeführt. In der Zündphase der Bogenentladung wird das Drahtstück aufgeschmolzen. Nach Übergang in die stabile Bogen entladung wird das zugeführte Material verdampft und ioni siert. Die für eine vorgebene Aufdampfrate erforderliche Drahtzufuhrgeschwindigkeit wird als Funktion des Drahtmateri als und der Bogenleistung geregelt. Im allgemeinen ist eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit eingestellt, die die Ausbildung einer Schmelzkugel ermöglicht. Wird die Bogenentladung ge stoppt, erstarrt diese Kugel. Bei erneutem Zündprozeß wird die Kugel zunächst aufgeschmolzen, bevor die Drahtzufuhr akti viert wird.After threading the wire through the opening of the elec the wire becomes the wire when it is activated for the first time the arrangement from the copper head 0.5 to 1 cm from the opening led out. In the ignition phase of the arc discharge, it will Melted piece of wire. After transitioning to the stable arch discharge, the supplied material is evaporated and ioni siert. The one required for a given evaporation rate Wire feed speed is a function of the wire material as and regulated the bow power. Generally one is Wire feed speed set that the training allows a melting ball. Is the arc discharge ge stops, this ball freezes. When the ignition process is started again the ball is melted before the wire feed is activated fourth.

Die gesamte Einheit ist an gängige Rezipientenflansche mon tierbar. Der Elektrodenkopf, der als Anode geschaltet wird, ist durch den Einbau eine Isolators floatend an den normaler weise geerdeten Rezipienten anflanschbar. Das Abschirmrohr dient dazu, den gekühlten Anodenkopf vor Verschmutzung zu schützen und damit lange Standzeiten zu garantieren.The entire unit is mon to common recipient flanges animal. The electrode head, which is switched as an anode, is by installing an isolator floating on the normal can be flanged to grounded receivers. The shielding tube serves to keep the cooled anode head from getting dirty protect and thus guarantee long service life.

Die nachfolgenden Fig. 1 bis 4 sollen die Erfindung näher erläutern.The following FIGS. 1 to 4 are intended to explain the invention in more detail.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Elek trode. Fig. 2a bis 2c zeigen bevorzugte Ausführungsformen des Elektrodenkopfes. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, wobei das Verdampfungsgut über eine Drahtrolle der Elektrode zugeführt wird, Fig. 4 zeigt die Anordnung der erfindungs gemäßen Elektrode zur Kathode in der Vakuumkammer. Fig. 1 shows a section through the electrode according to the invention. FIGS. 2a to 2c preferred embodiments of the electrode head. Fig. 3 shows an embodiment, wherein the material to be evaporated is fed to the electrode via a wire roll, Fig. 4 shows the arrangement of the electrode according to the invention to the cathode in the vacuum chamber.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt der erfindungsgemäßen Elektrode. Die Elektrode besteht im wesentlichen aus drei Teilen: dem Elektrodenkopf 1, dem wassergekühlten Rohrsystem 2 und der sich daran anschließenden Dichtungseinheit 3. Der Elektroden kopf ist durchbohrt, besitzt eine Führung 12, eine Dichtung 11 sowie in bevorzugter Ausführungsform einen Magnet 5. Der Elektrodenkopf ist in bevorzugter Ausführungsform durchbohrt, wobei durch die Bohrung das Verdampfungsmaterial 6 in Draht-, Stab- oder Rohrform geführt wird. Weiterhin enthält der Elek trodenkopf eine Dichtung 11. Der Elektrodenkopf wird in die Vakuumkammer geführt und ist an der Zuführungsstelle von der Kammerwand über Isolatoren 9 isoliert und über die Dichtungen 10 gegen Atmosphärendruck abgedichtet. Fig. 1 shows a section of the electrode according to the invention. The electrode essentially consists of three parts: the electrode head 1 , the water-cooled pipe system 2 and the sealing unit 3 connected to it . The electrode head is pierced, has a guide 12 , a seal 11 and a magnet 5 in a preferred embodiment. In a preferred embodiment, the electrode head is drilled through, the evaporation material 6 being passed through the hole in the form of a wire, rod or tube. Furthermore, the electrode head contains a seal 11 . The electrode head is guided into the vacuum chamber and is insulated at the supply point from the chamber wall via insulators 9 and sealed against atmospheric pressure via the seals 10 .

Das wassergekühlte Rohrsystem 2 ist von einem Wasserkühlsy stem 4 mit einem geschlossenen, umlaufenden Wasserkreislauf umgeben. Das Wasserkühlsystem 4 besitzt eine Wasserabfuhr 13 und eine Wasserzufuhr 14 sowie Dichtungen 15 zur Abdichtung des Wasserdrucks vom Atmosphärendruck, bzw. Dichtungen 16 zur Abgrenzung Vakuum-/Atmosphärendruck. Die Dichtungseinheit 3 besteht aus einem Dichtungssystem 16 sowie zwei Pumpstutzen 17 und 18, über die ein Vakuum in der Elektrode erzeugt wird. The water-cooled pipe system 2 is surrounded by a water cooling system 4 with a closed, circulating water circuit. The water cooling system 4 has a water outlet 13 and a water supply 14 and seals 15 for sealing the water pressure from the atmospheric pressure, or seals 16 for delimiting vacuum / atmospheric pressure. The sealing unit 3 consists of a sealing system 16 and two pump connections 17 and 18 , via which a vacuum is generated in the electrode.

Durch das wassergekühlte Rohrsystem 2, das entlang seiner Längsachse eine durchlaufende Öffnung aufweist und die Dich tungseinheit, die ebenfalls entlang ihrer Längsachse durch laufend geöffnet ist, wird von außen das Verdampfungsmaterial in die Elektrode eingeführt und ist während der Durchführung der Verdampfung beliebig nachführbar.Through the water-cooled pipe system 2 , which has a continuous opening along its longitudinal axis and the sealing unit, which is also continuously open along its longitudinal axis, the evaporation material is introduced from the outside into the electrode and can be adjusted as required during the evaporation.

Fig. 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Elektroden kopfes. Fig. 2 shows different embodiments of the electrode head.

Fig. 2a beschreibt einen durchbohrten Elektrodenkopf, wobei die Oberfläche gekerbt ist. Die Ziffern 2, 4 und 6 haben die selbe Bedeutung wie in Fig. 1. Die Ziffer 19 ist die obere Anodenbasisfläche, die gekerbt ist. Mit der Ziffer 22 wird eine flüssige Schmelzkugel beschrieben, deren Ausbildung durch eine entsprechende Zufuhr des Verdampfungsmaterials ermöglicht wird. Wird die Bogenentladung gestoppt, erstarrt diese Kugel. Bei erneutem Zündprozeß wird diese zunächst auf geschmolzen, bevor die Drahtzufuhr aktiviert wird. FIG. 2a describes a perforated electrode head, wherein the surface is notched. Numbers 2, 4 and 6 have the same meaning as in Fig. 1. Numeral 19 is the top anode base surface which is notched. Numeral 22 describes a liquid melting ball, the formation of which is made possible by a corresponding supply of the evaporation material. If the arc discharge is stopped, this ball solidifies. When the ignition process is repeated, it is first melted before the wire feed is activated.

Fig. 2b zeigt einen Elektrodenkopf, der im Vergleich zu Ab bildung Fig. 2a nicht durchbohrt ist. Mit dieser Aus führungsform können auch herkömmliche Legierungsmaterialien verdampft werden. Die Ziffern 4, 6 und 19 haben dieselbe Be deutung wie in Fig. 2a. Fig. 2b shows an electrode head, which is not pierced in comparison to From Fig. 2a. With this embodiment, conventional alloy materials can also be evaporated. The numbers 4, 6 and 19 have the same meaning as in Fig. 2a.

Fig. 2c beschreibt schließlich die Ausführungsform mit einem durchbohrten Elektrodenkopf mit Gaseinlaß. Die Ziffer 4, 11 und 19 haben dieselbe Bedeutung wie in der Fig. 2b bzw. 2a, Ziffer 20 bezeichnet ein Rohr aus verdampfbarem oder nicht verdampfbarem Material, durch das ein Gas in die Vakuumkammer geführt werden kann. Dabei besteht das Rohr in einer besonde ren Ausführungsform auch aus einem nicht-verdampfbaren Mate rial, so daß ausschließlich ein Gas in die Vakuumkammer ge führt wird, jedoch nicht die Verdampfung des Rohmaterials erfolgt. Fig. 2c finally describes the embodiment with a pierced electrode head with gas inlet. The numbers 4 , 11 and 19 have the same meaning as in FIGS. 2b and 2a, number 20 denotes a tube made of vaporizable or non-vaporizable material through which a gas can be led into the vacuum chamber. The tube consists in a special ren embodiment from a non-evaporable mate rial, so that only a gas in the vacuum chamber is ge leads, but not the evaporation of the raw material.

Fig. 3 beschreibt eine weitere Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Elektrode, bei der das Verdampfungsmaterial über eine Drahtrolle der Anode zugeführt wird. Die Ziffern 4, 7, 19 und 22 haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 2a bis 2c. Fig. 3 describes a further embodiment of the electrode according to the invention, in which the evaporation material is fed to the anode via a wire roll. Numbers 4 , 7 , 19 and 22 have the same meaning as in FIGS. 2a to 2c.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Elektrode, in einer entsprechenden Beschichtungsvorrichtung. Mit der Ziffer 7 ist ein Abschirmrohr bezeichnet, das die Seitenwände der Elektrode vor unerwünschten Ablagerungen schützt. Die Ziffer 23 bezeichnet die Kathode. Die weiteren Ziffern haben dieselbe Bedeutung wie in der Fig. 2. Mit den in der Figur eingezeichneten Linien wird der Einfallswinkel des Plasma- Strahls 24 sowie der Abdampfwinkel des verdampfenden Materi als 25 angedeutet. Fig. 4 shows an arrangement of electrode of the invention, in a suitable coating apparatus. The number 7 denotes a shielding tube that protects the side walls of the electrode from undesired deposits. The number 23 denotes the cathode. The other digits have the same meaning as in FIG. 2. With the lines drawn in the figure, the angle of incidence of the plasma beam 24 and the angle of evaporation of the evaporating material are indicated as 25 .

BezugszeichenlisteReference list

1 Elektrodenkopf
2 Wassergekühltes Rohrsystem
3 Dichtungseinheit
4 Wasserkühlsystem
5 Magnet
6 Verdampfungsmaterial
7 Abschirmrohr
8 Vakuumkammerwand
9 Isolatoren Vakuumkammer/Elektrode
10 Dichtung Vakuumkammer/Elektrode
11 Dichtung Elektrodenkopf/Rohrsystem
12 Führung
13 Wasserabführung
14 Wasserzufuhr
15 Dichtungen Wasserkühlsystem/Atmosphärendruck
16 Dichtung Vakuum/Atmosphärendruck
17 Pumpstutzen 2
18 Pumpstutzen 1
19 Elektrodenkopf mit gekerbter Oberfläche
20 Rohr für Gaszufluß
21 Kerben
22 Geschmolzene Kugel
23 Kathode
24 Einfallswinkel Plasmastrahl
25 Abdampfwinkel Verdampfungsmaterial 1 electrode head
2 Water-cooled pipe system
3 sealing unit
4 water cooling system
5 magnet
6 evaporation material
7 shielding tube
8 vacuum chamber wall
9 isolators vacuum chamber / electrode
10 Seal vacuum chamber / electrode
11 Seal electrode head / pipe system
12 leadership
13 water drainage
14 water supply
15 seals water cooling system / atmospheric pressure
16 Vacuum / atmospheric pressure seal
17 pump connector 2
18 pump connector 1
19 Electrode head with a notched surface
20 pipe for gas inflow
21 notches
22 Melted bullet
23 cathode
24 angle of incidence plasma beam
25 Evaporation angle Evaporation material

Claims

1. Electrode for material evaporation in a vacuum chamber ( 8 ) for the coating of substrates, consisting of a pierced elec trode head ( 1 ), a water-cooled pipe system ( 2 ) and a sealing unit ( 3 ), characterized in that

- The water-cooled pipe system ( 2 ) is arranged along the guide for an evaporation material ( 6 );
- The sealing unit ( 3 ) is attached to the water-cooled pipe system ( 2 ) and contains seals ( 16 ) for sealing against vacuum against atmospheric pressure;
- The evaporation material ( 6 ) from the outside through the sealing unit ( 3 ), the water-cooled pipe system ( 2 ) and the pierced electrode head ( 1 ) in the vacuum chamber;
- The part of the evaporation material ( 6 ) projecting from the sealing unit ( 3 ) can be continuously adjusted during operation of the electrode in the vacuum chamber.

2. Electrode according to claim 1, characterized in that the pipe system ( 2 ) can be cooled via a closed water cooling system ( 4 ) surrounding it.

3. Electrode according to claims 1 or 2, characterized in that the electrode head ( 1 ) consists of copper.

4. Electrode according to claims 1 to 3, characterized in that a permanent magnet or electromagnet ( 5 ) is arranged in the lower part of the electrode head ( 1 ).

5. Electrode according to claims 1 to 4, characterized in that the material to be evaporated ( 6 ) is a solid rod or wire.

6. Electrode according to claims 1 to 4, characterized in that the material to be evaporated is a tube ( 20 ) through which a gas can be passed from the outside into the vacuum chamber.

7. Electrode according to claims 1 to 6, characterized in that the electrode head ( 1 ) is not pierced and the material to be evaporated ( 6 ) is fed laterally into the vacuum chamber.

8. Electrode according to claim 7, characterized in that the electrode head ( 1 ) is notched on the upper side.

9. Electrode according to claims 1 to 8, characterized in that the lateral part of the electrode head is surrounded by a shielding tube ( 7 ).

10. A method for coating substrates in a vacuum by means of the anodic arc process, characterized in that the material to be evaporated is cooled along the electrode guide and the part of the evaporation material ( 6 ) protruding from the sealing unit ( 3 ) during operation of the electrode in the Vacuum chamber is tracked, the electrode being designed as a hollow rod through which a gas is additionally fed into the vacuum chamber from the outside during operation of the electrode.